1. 서 론

악취는 소음·진동과 같은 감각공해의 한 형태로 사람들에게 정신적 및 건강상의 피해를 주는 것으로 악취 방지법에서 악취는 황화수소, 메르캅탄류, 아민류, 그 외에 자극성이 있는 물질이 사람의 후각을 자극하여 불쾌감과 혐오감을 주는 냄새로 정의하고 있다(Kim and Park, 2021). 대도시에서 발생하는 악취는 대부분 생활 악취로 상업지역과 주거지에서 발생하지만, 현장에서 명확하게 발생 원인을 규명하는 것에는 한계가 있다(Kim et al., 2024). 악취 민원은 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 산업단지의 위치가 거주지역과 근접한 도시에서는 더 빈번한 민원이 발생하고 있다. 이에 따라 산업단지 내에서 악취를 효율적으로 제어하는 것이 중요하게 여겨지고 있다(Lee and Park, 2023;Lee et al., 2023).

현재 환경부에서는 악취관리법에 따라 22종의 악취 물질을 지정악취물질로 규정하여 규제하고 있으며 아세트알데하이드도 이에 포함되어 있다. 아세트알데하이드 배출허용기준은 0.05 ppm으로 비교적 높은 편이지만 최소감지농도가 0.002 ppm으로 낮은 농도에서도 악취가 쉽게 감지되는 특징이 있다(Lee and Park, 2023). 특히 아세트알데하이드와 같은 유기성 악취 물질의 경우 흡착 및 산화를 통한 효과적인 제어가 어려우므로 산업 현장에서 악취기여도가 높게 나타나고 있다(Kim and Park, 2021).

일반적으로 악취 물질은 흡수, 흡착, 촉매 혹은 미생물 반응 등 다양한 기술을 통해 제어될 수 있으며, 일반적으로 알데하이드류를 저감하기 위한 방법으로 연소, 흡착, 촉매 분해 등이 사용되고 있다(Ji and Park, 2022;Lee and Park, 2023). 그러나 실제 현장에서는 배출물질에 따라 방지 기술을 설치 적용하기보다는 흡수 및 흡착에 의한 시설을 대부분 적용하는 것으로 조사되었다(SHGEC, 2015;Lee and Yang, 2022;Lee et al., 2023).

특히 대표적인 악취방지시설인 가스 세정탑은 장기간 운영시 흡수액 포화 및 운전관리 미숙 등으로 인해 제거 성능 저하와 재발산 발생 가능성이 보고되고 있다 (SHGEC, 2015). 따라서 이러한 한계로 인해 단일 흡수 기술만으로는 악취물질의 장기적이고 안정적인 제거가 어려우며, 이를 보완할 수 있는 보조 기술이 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 현장에서 악취물질의 제거를 위해 가장 널리 사용되는 흡수액인 수돗물과, 산화력이 높아 알데하이드류를 포함한 다양한 악취물질에 적용 가능한 차아염소산나트륨(NaOCl)을 흡수액으로 선정 하였으며(Lim et al., 2006;SHGEC, 2015;Lim et al., 2018), 아세트알데히드의 물리화학적 특성을 고려하여 흡수액 성능의 지속성 및 재발산 현상을 억제하기 위한 목적으로 흡수액에 입상 활성탄을 첨가하여 흡착을 병행하여 진행하고자 하였다.이에 따라 본 연구는, 수돗물 및 NaOCl 기반 흡수액에 활성탄을 병용 적용하였을 때 아세트알데히드 제거 성능과 그 지속성 향상 가능성을 비교 평가하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1 흡수액의 제조

흡수액은 수돗물과 차아염소산나트륨(NaOCl)용액(유효염소 4% 이상)을 사용하였는데 이를 증류수로 희석하여 준비하였다. 희석한 NaOCl 용액은 아세트 알데하이드와 효과적으로 반응할 수 있도록 아세트산(Acetic acid, glacial, 9.5%, Samchun, Korea)을 이용해 pH 5~6 범위로 조정하여 차아염소산(HOCl)이 주로 생성되도록 하였다(Lim et al., 2006;Son et al., 2022). 또한, 광분해에 의한 성분의 변화를 방지하기 위해 필요한 양을 실험 바로 전에 제조하여 사용하였다. 제조된 NaOCl 용액의 HOCl 농도는 실험 전 UV-Vis 분석을 통해 확인하였으며, 외부 문헌의 값과 비교하여 설정 범위의 타당성을 검토하였다(Feng et al., 2007;Byun et al., 2012;Kim et al., 2021).

본 연구에서 사용된 흡수액의 구성은 Table 1에 정리하였다.

실험에 사용된 활성탄은 Charcoal Activated, granular (Activated Carbon) (Duksan Pure Chemicals, Korea) 제품이며, 제품 라벨에는 입도 정보가 명시되어 있지 않았고, 제공된 형태 그대로 사용하였다.

2.2 실험장치 및 방법

본 연구에서 사용된 장치는 Fig. 1과 같으며, 실험 장치는 악취 가스 발생장치와 흡수 반응기로 구성되어 있다. 악취 가스 발생장치는 컴프레서를 이용하여 발생시킨 공기를 가스로 발생시킬 용액이 담겨있는 임핀저에 주입해 악취 가스를 발생시켜 주며, 흡수 반응기는 300 mL 용량의 가스 흡수병에 흡수액을 담아 사용하였다.

실험에 사용된 아세트알데하이드는 120±20 ppm 의 농도 범위에서 유동적으로 발생시켜 사용하였고 가스 유량은 2 L/min으로 반응기에 주입하였다. 반응기에 흡수액 100 mL와 입상활성탄의 첨가량을 변화시키면서 유입된 가스상 아세트알데하이드에 의한 기포 교반으로 흡수 실험을 진행하였다. 아세트알데하이드 가스의 유입 및 유출구의 농도는 측정기(SKT-9300, TESTAUCTION, China)를 사용하여 실험 시작 5분 후 부터 10분 간격으로 측정하였으며 총 120분간의 실험을 진행하였다. 제거되는 아세트알데하이드의 효율은 다음의 (1)식과 같다.

위 식에서 C_i, C_o는 각각 유입 및 유출되는 아세트알 데하이드 가스의 농도를 나타낸다.

3. 결과 및 고찰

3.1 흡수액에 따른 제거성능 비교

아세트알데하이드에 대하여 더 좋은 성능의 흡수액을 선정하기 위하여 수돗물(Absorbent-A)과 100 ppm 농도의 차아염소산나트륨 용액(Absorbent-B) 두 가지 흡수액을 대상으로 하여 제거율을 비교하였다. 해당 실험에서는 온도는 실온으로 25°C, 압력은 대기압 조건으로 진행하였다.

Fig. 2는 각 흡수액에 따른 아세트알데하이드 제거 성능을 유입 농도와 유출 농도의 비로 나타내었다. 초기 농도의 비는 Absorbent-A와 Absorbent-B 모두 낮게 나타났으나, 80분을 기준으로 물의 제거 성능이 Absorbent-B 보다 가파르게 떨어짐을 확인할 수 있 었다.

Absorbent-A과 비교하였을 때 Absorbent-B는 상대적으로 농도비가 완만하게 상승하였으며 이는 제거 성능이 비교적 오래 유지됨을 의미한다.

두 흡수액의 제거 효율을 계산하여 비교한 결과 최종 25% 이상의 차이를 나타내었으며, 이에 따라 단일 흡수액으로써 Absorbent-B를 흡수액으로 사용하였을 때 Absorbent-A보다 비교적 장시간 사용에 유리할 것으로 사료된다.

3.2 조건 변화에 따른 제거성능 비교

아세트알데하이드 제어에 더 유리한 흡수액으로 조 사된 Absorbent-B에 대해 조건을 변화시켜 이에 따른 아세트알데하이드의 제어 능력을 조사하였다. Absorbent-B의 농도와 반응기 온도에 변화를 주었으며 그에 대한 결과는 각각 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.

3.2.1 차아염소산 농도에 따른 제거성능 비교

Absorbent-B의 농도를 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm 으로 달리하여 실험을 진행하였으며, 아세트알데하이드에 대하여 더 우세한 제거 능력을 갖춘 농도는 관찰되지 않았다. 전반적으로 세 가지 농도 모두 거의 유사한 제거 능력을 보였으며, 각각의 평균 제거 효율을 계산해 보았을 때도 150 ppm (60%), 100 ppm (62%), 50 ppm (59%)으로 큰 효율 차이를 나타내지 않았다. 따라서 이러한 결과에 따라 본 실험에서 지정한 농도 범위인 50~150 ppm 사이에서는 아세트알데하이드 제거 능력에 현저한 영향을 주지는 않은 것으로 생각된다.

3.2.2 반응기 온도에 따른 제거성능 비교

본 실험은 Absorbent-B의 적절한 반응기 온도 조건을 확인하기 위한 목적으로 수행되었다. 차아염소산농도 100 ppm 조건에서 반응기의 온도를 각각 25°C, 30°C, 35°C로 설정하여 Absorbent-B에 대한 성능 실험을 진 행하였다. 전반적으로 온도 35°C에서 농도비가 높았고, 25°C에서는 낮은 수치를 보였다. 평균 제거 효율을 산출한 결과 온도별로 60% (25°C), 55% (30°C), 49% (35°C)로 측정되었으며, 최종으로 측정된 제거 효율은 최대 12% 이상의 차이를 보였다. 따라서 Absorbent-B 의 아세트알데하이드에 대한 제거 효과는 반응기 온도가 25°C일 때 가장 높게 나타남을 알 수 있었다. 온도가 높아질수록 제거 효율이 감소하는 현상이 관찰되었는데, 이는 차아염소산나트륨의 높은 반응기 온도로 인해 유효염소 농도가 감소하고, 동시에 아세트알데하이드의 용해도가 감소하여 흡수 반응에 불리하게 작용한 것으로 판단된다(Park and Suh, 2008;Park et al., 2022). 이에 따라 이후 활성탄 첨가 실험에서는 온도를 25°C로 유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

3.3 활성탄 첨가에 따른 제거성능 비교

흡수가 진행되면서 흡수액이 악취물질로 포화되면서 재발산 현상이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 흡수 기술의 한계를 보완하고 흡수액의 지속성과 안정성을 향상시키기 위해서 실제 현장에서 흡수액으로 사용되는 수돗물(Absorbent-A)과 차아염소산나트륨 (Absorbent-B)을 대상으로 하여 입상 활성탄을 첨가하여 실험을 수행하였다.

활성탄의 첨가는 Absorbent-A과 Absorbent-B의 두 흡수액에 이루어졌으며, 전체 실험 시간은 120분으로 설정하였다. 유입 및 유출 농도는 20분 간격으로 측정 되었으며, 유입농도의 유동적 특성으로 인해 실험결과의 안정적인 비교를 위해 농도비(C_o/C_i)의 시간 변화율(Δ(C_o/C_i)/Δt)을 이용하여 분석하였다. 이를 통해 흡수 반응의 지속성과 시간 경과에 따른 급격한 성능 저하 혹은 재발산 경향을 파악하고자 하였다. 반응기에 첨가된 흡수액과 활성탄의 구성은 Absorbent-A 및 Absorbent-B에 활성탄을 첨가하지 않은 경우와 5 g, 10 g의 활성탄을 첨가한 경우로 나누어 실험을 진행하였으며, 활성탄 첨가량은 사전 실험을 통해 가장 효율적인 조건으로 선정하였다.

Fig. 5는 각 조건에 따라 Δ(C_o/C_i)/Δt 값이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 나타낸다. 수돗물 (Absorbent-A)조건과 차아염소산나트륨(Absorbent-B) 조건의 활성탄 첨가량에 따른 변화 경향을 각각 비교하였다.

Absorbent-A 인 수도물을 흡수액으로 단일 사용하는 경우 60분까지 기울기가 급격하게 감소하는 경향을 보였는데 이는 흡수액이 빠르게 포화되며 성능이 감소하고 있음을 의미한다. 또한 100분경에 그래프가 급격히 상승하였는데 이는 출구농도가 이전에 비해 급격히 상승했음을 나타내며, 갑작스레 높은 농도의 유입 혹은 재발산의 가능성을 시사한다. 해당 시점의 아세트알데하이드 유입농도는 일시적으로 95 ppm으로 낮아졌으나, 출구 농도는 오히려 상승하는 양상을 보여 흡수액에서 재발산이 발생했을 가능성을 나타낸다. 반면 활성탄을 첨가한 경우 전체적으로 완만한 기울기를 유지하였는데 이는 출구농도의 변화가 크지 않음을 의미하며 활성탄을 첨가함으로써 흡수 성능의 지속성이 상대적으로 우수함을 나타낸다. 이에 따라 수도물에 활성탄을 첨가함으로써 흡수액의 성능을 개선할 수 있음을 의미한다.

Absorbent-B 인 차아염소산나트륨 용액을 흡수액으로 사용하는 조건에서는 Δ(C_o/C_i)/Δt이 20분에 음수값을 보이며, 흡수 반응이 본격적으로 일어났음을 나타낸다. 이후 기울기가 가파르게 상승하며 40분 이후부터는 안정적인 변화율을 나타내었다.

이러한 현상이 발생한 이유는 차아염소산나트륨 용액의 HOCl과 활성탄이 반응했기 때문으로 보인다. 활성탄은 수중의 유리염소를 제거하는 데 매우 효과적인 물질이며 특히 HOCl을 더 쉽게 제거한다. 또한 활성탄은 표면이 염소에 의해 산화되는 화학반응을 보이며, 차아염소산(HOCl)과 차아염소산염 이온(OCl^–)의 활성탄과의 반응식은 다음과 같다(Al Habobi et al., 2012).

C*O는 활성탄의 산화 부위를 나타내며, 이러한 반응은 매우 빠르게 일어나기 때문에 아세트알데하이드에 대한 반응보다 더 빠르게 일어나 초기에 제거 성능이 낮게 나타나는 현상을 보인 것으로 판단된다.

수돗물의 단독 조건은 후반부에서 흡수 반응이 급격히 저하되다 재발산으로 인해 기울기 반전이 발생하였으나, 활성탄을 첨가한 조건에서는 전체적으로 완만한 변화율을 안정적으로 유지하여 흡수액의 지속성 개선 효과를 관찰할 수 있었다. 전체 실험 시간 120분 중 최대, 최소의 극단값을 제외한 평균 변화율을 비 교하였을 때 Absorbent-A의 단독사용은 0.007 min^–1로 계산되었고, 활성탄을 첨가한 조건에서는 각각 0.004 min^–1 (5 g), 0.003 min^–1 (10 g)으로 나타났다. 이는 Absorbent-A에 활성탄을 첨가했을 때 갑작스러운 유입 농도 변화에도 흡수 성능의 안정성을 확보할 수 있음을 시사한다. Absorbent-B 조건에서는 초기 변화율이 불안정하였으나, 시간이 경과함에 따라 안정적인 흡수가 가능해졌으며, Absorbent-B 단독 사용 조건에서의 평균 변화율인 0.005 min^–1과 비교했을 때 평균 변화율이 각각 0.003 min^–1 (5 g), 0.002 min^–1 (10 g)으로 보다 완만하게 유지되었다는 점에서 성능 개선 효과가 확인된다. 이에 따라 활성탄 첨가가 후반 성능 유지에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단되나 향후 좀 더 추가적인 검토가 필요하다고 생각된다.

이에 따라 Absorbent-B의 농도에 따라 활성탄을 첨가했을 때 제거 성능에 미치는 영향에 대하여 추가적인 실험을 진행하였다.

3.3.1 서로 다른 농도의 Absorbent-B에 활성탄을 첨가했을 때 제거성능 비교

서로 다른 농도의 Absorbent-B에 각각 5 g의 활성탄을 첨가하여 제거 효율을 비교하였으며, 그에 대한 제거 효율은 Fig. 6에 나타내었다.

해당 실험에서 첨가된 활성탄의 양은 이전 실험에서 초기 가장 제거 능력이 낮았던 현상을 활성탄과 Absorbent-B 간의 반응이 잘 일어나 방해 현상이 가장 활발한 것으로 판단하여 활성탄 첨가량을 5 g으로 고정하여 차아염소산의 농도를 변화시켜 실험을 진행하였다.

실험에 사용된 Absorbent-B의 차아염소산 농도는 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm이고, 각각의 농도에 일정량의 활성탄을 첨가하여 제거 성능을 확인하였다. 초기에 100 ppm의 농도에서 가장 높은 농도비를 나타내었고 50 ppm에서 가장 낮은 농도비를 나타내었다. 이에 따라 초기에 일어나는 방해 작용이 차아염소산의 농도가 높다고 더 크게 작용하지는 않는 것으로 나타났다. 이후 20분경부터 150 ppm과 100 ppm에서 급격히 농도비가 감소하여 50 ppm이 가장 높은 농도비를 나타내었다. 그래프에 따르면 50 ppm에 활성탄을 첨가했을 때 가장 안정적으로 포화되는 경향을 보였다. 평균 제거 효율은 모두 60%대로 150 ppm에서 가장 높은 효율을 보였고, 100 ppm에서 가장 낮은 효율을 나타내었으나 최소 1%, 최대 3% 차이로 큰 성능 차이를 보이지는 않았다. 또한 최종 제거 효율을 계산해 보았을 때 각각 50 ppm (45%), 100 ppm (49%), 150 ppm (51%)으로 이는 농도가 높을수록 흡수액의 성능이 비교적 높게 유지됨을 알 수 있다. 150 ppm과 100 ppm의 결과를 비교하였을 때 초기에 100 ppm이 150 ppm보다 더 높은 농도비를 나타내었으며 이는 빠른 속도로 농도비가 감소한 이후에도 비슷한 추세를 보이는 것을 알 수 있었다.

이와 같은 결과에서 50 ppm의 경우 상대적으로 낮은 차아염소산 농도 때문에 활성탄의 흡착 작용이 상대적으로 더 크게 작용한 것으로 생각되며, 이에 따라서 초기에 HOCl과 반응한 후에도 비교적 낮은 농도비가 나타난 것으로 사료된다.

한편 100 ppm 농도에서는 전반적으로 아세트알데하이드 제거 효율이 가장 낮게 나타났다. Al Habobi et al. (2012)은 HOCl이 활성탄과 빠르게 반응하여 산화 부위 (C*O)를 형성할 수 있음을 보고하였다. 이러한 반응에 따라 초기에 흡착 부위가 일시적으로 다른 반응에 사용됨으로써 아세트알데하이드 제거 효율이 저하된 것으로 해석된다. 100 ppm에서는 HOCl의 반응성은 지속되나 초기의 흡착 혹은 산화에 필요한 조건이 제대로 형성되지 못해 아세트알데하이드의 제거 효율이 낮아졌을 가능성이 있다. 이같은 결과는 이전의 실험에서 동일 농도의 Absorbent-B에 활성탄 첨가량을 변경할 때에 나타났던 현상과 유사하며 HOCl과 활성탄 사이의 반응 우선 순위에 따라 초기의 제어 성능이 영향을 받은 것으로 해석된다. 따라서 이에 대한 정확한 메카니즘을 분석하기 위해서는 향후 지속적으로 관련 실험을 진행하여 분석 하여야 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 악취물질로서 아세트알데하이드를 대상으로, 흡수액에 활성탄을 첨가하여 흡수와 흡착을 동시에 적용함으로써, 기존 흡수액의 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 현장에서 일반적으로 사용되는 수돗물(Absorbent-A)과 차아염소산나트륨 용액(Absorbent-B)을 흡수액으로 사용하고, 각각에 활성탄을 첨가하여 복합처리 방식의 효과를 실험적으로 분석 하였다.

두 종류의 흡수액 모두 초기에 모두 낮은 농도비(C_o/ C_i)를 보여 아세트알데하이드에 대해 좋은 제거 성능을 보였으나 실험이 진행될수록 차아염소산나트륨 용액의 성능이 수돗물 보다 더 오래 유지되는 것으로 나타났다.

차아염소산나트륨 용액의 농도를 변화시켜 50 ppm, 100 ppm, 150 ppm에서 제거 능력을 확인하였을 때 주어진 실험 조건에선 더 우세한 제거 능력을 보이진 않았으며, 더 넓은 농도 범위에 대해서 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다. 또한 반응기의 온도를 25°C, 30°C, 35°C로 조절하여 차아염소산나트륨 용액에 대한 흡수 성능을 보았을 때 온도가 높을수록 제거 효율은 감소하는 것으로 나타났다.

두가지 종류의 흡수액에 활성탄을 첨가한 조건에 대해 제거 능력을 확인하기 위해 농도비 변화율(Δ(C_o/C_i)/ Δt)을 구하여 정량적으로 비교하였다. 그 결과, 활성탄 첨가 조건은 단독 조건에 비해 전체 실험 시간 동안 변화율 기울기가 완만하게 유지되었으며, 이는 흡수액의 포화 속도가 느려지고 재발산 현상이 억제되었음을 의미한다. 차아염소산나트륨 용액의 경우, 활성탄 첨가 조건에서 초기 20분간 흡수가 지연되는 현상이 있었으나 이후 안정적인 변화율을 나타내며 흡수액의 성능이 개선되었음을 관찰할 수 있었다. 특히 10 g의 활성탄을 첨가한 조건에서 평균 변화율은 각각 0.003 min^–1(수도 물), 0.002 min^–1(차아염소산나트륨 용액)을 보여 흡수의 지속성과 안정성이 개선되었음을 확인할 수 있었다. 차아염소산의 농도를 달리하여 일정량의 활성탄을 첨가하여 추가 실험을 진행한 결과 150 ppm에서 가장 좋은 성능을 보였고, 100 ppm에서 방해효과가 가장 크게 작용하는 것으로 나타났다.

흡수액의 보조제로써 활성탄을 적용하는 경우, 수돗물을 사용하는 조건에서 아세트알데하이드 제거 성능이 보다 안정적으로 개선되는 것으로 확인되었다. 또한 차아염소산나트륨 용액을 흡수액으로 사용하게 되는 경우에도 활성탄을 첨가하여 흡수액의 성능을 안정적으로 개선하기 위해서는 활성탄의 첨가량과 차아염 소산나트륨 용액의 농도 사이에서 최적 조건을 찾아내기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구는 복합처리방식의 적용 가능성에 대하여 실험적으로 확인한 기초자료에 해당하며, 향후 다양한 조건과 오염물질에 대한 추가 검증을 통해 실질적인 기술 적용으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.